静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置及其工作方法

摘要

一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，包括：模拟底部钻具组合、在所述模拟底部钻具组合外套设的模拟井筒、实验台和钻具位置调节架；所述模拟底部钻具组合包括：依次沿模拟钻铤相连的柔性短节、模拟稳定器、配合接头、芯轴、非旋转套和模拟钻头；所述实验台包括：轴向依次设置有钻头受力监测台、支架筒和套筒；所述钻具组合位置调节架用于垂直向调节模拟底部钻具组合的位置和/或沿垂直向倾斜调节模拟底部钻具组合的位置。本发明提出的静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置可以模拟实际钻井中所用静态推靠式旋转导向钻具组合的导向功能，将复杂的钻井现场实验转化为室内实验。实验具备可操作性强，成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置及其工作方法，属于石油钻井管柱力学实验的技术领域。

背景技术

旋转导向钻井技术是钻井工程技术领域的一项前沿科技，具有钻井速度快、井眼质量好、水平段延伸能力强等优点，在水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井中应用日趋广泛。国际上形成了两类商用旋转导向系统：推靠式与指向式。国内起步相对较晚，目前研究精力主要集中在推靠式旋转导向钻具。其中，静态推靠式是推靠式旋转导向系统中常用的一种工作方式，工作原理为：在钻柱旋转状态下，通过非旋转套上支撑翼勒推靠井壁，钻头受到侧向推靠力作用产生侧向切削，从而实现导向钻进。钻具使用时，在支撑翼勒对钻具的推靠作用下，底部钻具组合在井眼内发生弹性变形并与井壁产生接触，由于底部钻具组合与井壁之间存在摩擦作用，加之钻具组合的旋转运动，钻头侧向切削力与支撑翼勒的推靠合力方向存在一定偏差。该偏差会使钻头侧向钻进方向异于支撑翼勒推靠作用力方向，造成实钻井眼轨迹偏离设计轨道。因此，为使钻具在推靠力作用下实现预期井眼轨迹控制目标，有必要对钻具组合的导向特性进行分析，掌握钻具组合结构、钻进操作参数对钻头侧向切削力方向的影响规律，从而在钻具现场应用时可对推靠合力的方向进行修正，以使钻头沿着支撑掌的推靠力方向钻进，充分发挥推靠式旋转导向钻具的技术优势。

目前，有学者采用静力学模型对静态推靠式旋转导向钻具组合的导向特性进行计算，但不能反映出底部钻具组合的旋转运动产生的动态影响。动力学理论模型考虑因素较为全面，但是部分计算参数的选择具有经验性。因此，建立静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置可以验证动力学理论模型的准确性与可行性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置。

本发明还提供一种上述模拟实验装置的工作方法。

本发明通过模拟实验研究不同底部钻具组合结构、支撑掌推靠作用力、钻压、转速以及井斜角对推靠式旋转导向钻具组合导向特性的影响规律，确定出钻头侧向切削力与翼勒推靠合力方向的偏差，从而修正支撑翼勒推靠合力使钻具沿着设计井眼轨道钻进。应用本发明可以得到不同的钻具组合结构参数，例如模拟稳定器直径的大小；柔性短节的长度、抗弯刚度；模拟钻头距模拟稳定器的距离等结构参数，对静态推靠式旋转导向钻具钻头侧向力与翼勒推靠力方向偏差的影响规律。

本发明的技术方案如下：

一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，包括：模拟底部钻具组合、在所述模拟底部钻具外套设的模拟井筒、实验台和钻具位置调节架；

所述模拟底部钻具组合包括：依次沿模拟钻铤相连的柔性短节、模拟稳定器、配合接头、芯轴、非旋转套和模拟钻头；

所述实验台包括：轴向依次设置有钻头受力监测台、支架筒和套筒；

所述钻具组合位置调节架用于垂直向调节模拟底部钻具组合的位置和/或沿垂直向倾斜调节模拟底部钻具组合的位置。

本发明将模拟底部钻具组合设置在模拟井筒内，在钻具底部设置有实验台用于监测模拟钻头的各类参数，利用钻具位置调节架根据实验参数进行对应调整模拟井筒、钻具组合的水平位置和倾斜位置，增加了钻具组合的多种模拟场景，提高了实验的精度和应用广度。

根据本发明优选的，所述钻具组合位置调节架包括L形滑轨，在所述L形滑轨的垂直段顶部设置有顶部电机、滑轮，所述滑轮驱动钢缆；在所述钢缆上设置有支架，在所述支架的两端设置有滚轮，所述滚轮与所述L形滑轨配合；所述模拟井筒、实验台、驱动模拟钻铤的伺服电机均与所述支架固定连接。本发明利用L形滑轨精确调整所述钻具组合的实验角度和实验位置。

根据本发明优选的，在所述L形滑轨的垂直段侧设置有三角支架。此处设计增加整体实验装置的稳定性。

根据本发明优选的，所述钻头受力监测台包括底板、驱动底板水平运动的加载固定支座、驱动底板轴向运动的加载丝杠、旋转手轮、在底板上设置有模拟钻头侧向受力传感器、模拟钻头轴向受力传感器。所述模拟钻头侧向受力传感器、模拟钻头轴向受力传感器可以模拟实际静态推靠式旋转导向工具所具有的钻头施加侧向推靠力的作用，相比实际钻具具备结构简单，易于室内实验操作实施等优点。

根据本发明优选的，所述芯轴和非旋转套外设置有支架筒，在支架筒下方设置有套筒。

根据本发明优选的，所述支架筒下部通过螺纹与所述套筒连接，在支架筒和套筒之间设置有同心刻度盘。此处设计的优点在于，螺纹连接可以实现支架筒周向360°转动。支架筒与套筒在横向上能够保持固定，从而使支架筒处于稳定的状态。所述套筒上端设有一个同心刻度盘，与所述套筒固连，不能发生横向运动及转动，只能与所述套筒沿所述支架轴向运动。所述刻度盘外沿刻有均匀分布的0-360°刻度。0刻度指向套筒支座的反方向。正对螺栓轴线方向在所述支架筒的外壁固设一个指针，垂直指向刻度盘。指针与刻度盘的作用在于指示螺栓对非旋转套推靠作用力的方向。当螺栓在压力传感器上施加的压力值达到设定值时，转动支架筒即可改变螺栓施加压力的作用方向。由于指针随着支架筒的旋转而一起转动，此时指针在刻度盘上指示的刻度即为螺栓对压力传感器施加压力的方向。

根据本发明优选的，所述芯轴和非旋转套套接设置，所述芯轴套于非旋转套内，两端通过螺纹连接所述配合接头；所述芯轴两端螺纹内侧设有凸台。此处设计凸台定位两端配合接头最终上紧位置，以免使配合接头由于过度上紧而卡住所述非旋转套，减小非旋转套与配合接头间的过大摩擦力而带来实验上的误差。

根据本发明优选的，在所述非旋转套沿周向设置径向螺柱套筒，在所述支架筒上设置有螺柱支架，所述螺柱支架通过螺柱与所述螺柱套筒连接。优选的，所述螺柱套筒彼此之间呈120°间隔设置。该螺柱套筒用于连接螺柱，并通过固定螺柱进而固定住所述非旋转套，以模拟实际静态推靠式旋转导向工具非旋转套上三个液压支撑翼勒撑在井壁上而对非旋转套起到的固定作用。使用螺柱固定方法简化了液压这一复杂装置而同时又起到了液压装置的支撑作用。

根据发明优选的，在非旋转套上设置有压力传感器，所述压力传感器与一个所述螺柱套筒呈轴线180°反方向设置。

根据本发明优选的，所述压力传感器通过螺栓抵住设置在所述非旋转套上，在所述支架筒上设置有螺栓套筒，所述螺栓套筒内设置有螺栓。此处设计的优点在于，设置螺栓套筒轴线与所述压力传感器轴线重合，并固定在支架筒上。螺栓穿过螺栓套筒抵于所述压力传感器上。所述螺栓六角头头部设有沉孔，用于接入长柱进行螺栓的微旋转调节。调节螺栓旋进量，可以改变螺栓作用在压力传感器上压力的大小，来模拟静态推靠式旋转导向工具支撑翼勒对钻具施加的推靠力作用。采用一个螺栓进行加压作用，相比使用三个翼勒进行压力调节时推靠力的大小及作用方向更加易于显示与控制。

一种上述模拟实验装置的工作方法，包括：

1)将所述模拟底部钻具组合安装在所述模拟井筒内；

2)通过顶部电机和滑轮带动支架沿L形滑轨垂直段上下移动、沿L形滑轨水平段水平移动，直至达到符合实验要求的模拟井斜角度；

3)调节旋转手轮通过加载丝杠推动底板为模拟钻头施加压力，直至达到实验要求的钻压值；

4)调节所述螺栓用于模拟静态推靠式旋转导向钻具施加一定大小的推靠作用力；旋转支架筒直到指针指示所述刻度盘上的某一刻度值以得到对应的推靠力方向；

5)调节伺服电机的转速，为模拟静态推靠式旋转导向钻具组合提供实验要求转速；

6)通过模拟钻头侧向受力传感器得到模拟钻头侧向力的方向，并与施加的推靠力的作用方向取差值，得到钻头侧向切削力与施加的推靠合力方向偏差。

根据本发明优选的，设置不同长度、截面尺寸型号的柔性短节，设置不同长度的配合接头，设置不同直径的模拟稳定器以模拟不同的底部钻具组合结构；改变井斜角、钻压、推靠作用力的大小及方向、转速，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)，得出不同条件下模拟钻头侧向切削力与施加的推靠合力方向偏差后停止实验。

本发明的有益效果

1.本发明提出的静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置可以模拟实际钻井中所用静态推靠式旋转导向钻具组合的导向功能，将复杂的钻井现场实验转化为室内实验。实验具备可操作性强，成本低的优点。

2.本发明可以方便的变化钻具组合的结构参数，如：模拟稳定器直径的大小，柔性短节的长度、抗弯刚度，模拟钻头距模拟稳定器距离等参数；以及钻进操作参数，如：钻压、转速、螺栓对非旋转套的推靠力大小、方向等参数，有利于全面研究相关因素对静态推靠式旋转导向钻头侧向力与翼勒推靠力方向偏差的影响规律。

3.本发明的实验结果可以对当前建立的静态推靠式旋转导向钻具组合力学特性的理论模型进行验证，从而可以修正和完善理论模型，为静态推靠式旋转导向钻具更好的使用提供指导。

附图说明

图1为本发明模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明中所述支架筒和套筒部分的结构示意图；

图3为图2中A-A向横截面图；

图1-3中：1、三角支架，2、L形滑轨，3、滑轨固定螺栓，4、支架，5、滚轮，6、顶部电机，7、滑轮，8、钢缆，9、伺服电机，10、模拟钻铤，11、模拟井筒，12、模拟井筒固定支座，13、柔性短节，14、模拟稳定器，15、配合接头，16、芯轴，17、非旋转套，18、螺柱套筒，19、螺柱，20、螺柱支架，21、螺母，22、螺栓，23、沉孔，24、螺栓套筒，25、压力传感器，26、支架筒，27、套筒，28、刻度盘，29、指针，30、套筒支座，31、模拟钻头，32、模拟钻头侧向受力传感器，33、模拟钻头轴向受力传感器，34、底板，35、加载丝杠，36、旋转手轮，37、加载固定支座。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，包括：模拟底部钻具组合、在所述模拟底部钻具组合外套设的模拟井筒11、实验台和钻具位置调节架；

所述模拟底部钻具组合包括：依次沿模拟钻铤相连的柔性短节13、模拟稳定器14、配合接头15、芯轴16、非旋转套17和模拟钻头31；

所述实验台包括：轴向依次设置有钻头受力监测台、支架筒26和套筒27；

所述钻具组合位置调节架用于垂直向调节模拟底部钻具组合的位置和/或沿垂直向倾斜调节模拟底部钻具组合的位置。

实施例2、

如实施例1所述的一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，其区别在于，所述钻具组合位置调节架包括L形滑轨2，在所述L形滑轨2的垂直段顶部设置有顶部电机6、滑轮7，所述滑轮驱动钢缆8；在所述钢缆8上设置有支架4，在所述支架4的两端设置有滚轮5，所述滚轮5与所述L形滑轨2配合；所述模拟井筒11、实验台、驱动模拟钻铤的伺服电机9均与所述支架4固定连接。

在所述L形滑轨2的垂直段侧设置有三角支架1。

实施例3、

如实施例1所述的一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，其区别在于，所述钻头受力监测台包括底板34、驱动底板34水平运动的加载固定支座37、驱动底板34轴向运动的加载丝杠35、旋转手轮36、在底板34上设置有模拟钻头侧向受力传感器32、模拟钻头轴向受力传感器33。

实施例4、

如实施例1所述的一种静态推靠式旋转导向钻具组合导向特性模拟实验装置，其区别在于，所述芯轴16和非旋转套17外设置有支架筒26，在支架筒26下方设置有套筒27。

所述支架筒26下部通过螺纹与所述套筒27连接，在支架筒26和套筒27之间设置有同心刻度盘28。螺纹连接可以实现支架筒周向360°转动。支架筒与套筒在横向上能够保持固定，从而使支架筒处于稳定的状态。所述套筒上端设有一个同心刻度盘，与所述套筒固连，不能发生横向运动及转动，只能与所述套筒沿所述支架轴向运动。所述刻度盘外沿刻有均匀分布的0-360°刻度。0刻度指向套筒支座的反方向。正对螺栓轴线方向在所述支架筒的外壁固设一个指针，垂直指向刻度盘。指针与刻度盘的作用在于指示螺栓对非旋转套推靠作用力的方向。当螺栓在压力传感器上施加的压力值达到设定值时，转动支架筒即可改变螺栓施加压力的作用方向。由于指针随着支架筒的旋转而一起转动，此时指针在刻度盘上指示的刻度即为螺栓对压力传感器施加压力的方向。

所述芯轴16和非旋转套17套接设置，所述芯轴16套于非旋转套17内，两端通过螺纹连接所述配合接头15；所述芯轴16两端螺纹内侧设有凸台。

在所述非旋转套17沿周向设置径向螺柱套筒18，在所述支架筒26上设置有螺柱支架20，所述螺柱支架20通过螺柱19与所述螺柱套筒18连接。所述螺柱套筒彼此之间呈120°间隔设置。该螺柱套筒用于连接螺柱，并通过固定螺柱进而固定住所述非旋转套，以模拟实际静态推靠式旋转导向工具非旋转套上三个液压支撑翼勒撑在井壁上而对非旋转套起到的固定作用。使用螺柱固定方法简化了液压这一复杂装置而同时又起到了液压装置的支撑作用。

在非旋转套17上设置有压力传感器25，所述压力传感器25与一个所述螺柱套筒24呈轴线180°反方向设置。

所述压力传感器25通过螺栓22抵住设置在所述非旋转套17上，在所述支架筒26上设置有螺栓套筒18，所述螺栓套筒18内设置有螺栓22。

实施例5、

如实施例1—4任意一项所述模拟实验装置的工作方法，包括：

1)将所述模拟底部钻具组合安装在所述模拟井筒内；

2)通过顶部电机和滑轮带动支架沿L形滑轨垂直段上下移动、沿L形滑轨水平段水平移动，直至达到符合实验要求的模拟井斜角度；

3)调节旋转手轮通过加载丝杠推动底板为模拟钻头施加压力，直至达到实验要求的钻压值；

4)调节所述螺栓用于模拟静态推靠式旋转导向钻具施加一定大小的推靠作用力；旋转支架筒直到指针指示所述刻度盘上的某一刻度值以得到对应的推靠力方向；

5)调节伺服电机的转速，为模拟静态推靠式旋转导向钻具组合提供实验要求转速；

6)通过模拟钻头侧向受力传感器得到模拟钻头侧向力的方向，并与施加的推靠力的作用方向取差值，得到钻头侧向切削力与施加的推靠合力方向偏差。

实施例6、

如实施例5所述的工作方法，其区别在于，设置不同长度、截面尺寸型号的柔性短节，设置不同长度的配合接头，设置不同直径的模拟稳定器以模拟不同的底部钻具组合结构；改变井斜角、钻压、推靠作用力的大小及方向、转速，重复步骤1)、2)、3)、4)、5)、6)，得出不同条件下模拟钻头侧向切削力与施加的推靠合力方向偏差后停止实验。